探索广阔的海洋世界,海洋工程装备是不可或缺的条件,并且其重要性在《中国制造2025》已经说明,表示开发海洋能够极大促进国家的经济发展,并且从另一方面也展示了我国开发海洋的决心与实力。无论是载人潜水器还是无人潜水器,他们都有一个极为重要的组成部件,那就是耐压壳。但现役耐压壳有着结构不合理、加工难度大、缺陷敏感性高等缺点,波纹柱形耐压壳则表现出惊人的抗压特性。且其抗压性是与其对应模型的材料参数、几何参数及缺陷幅值大小紧密相连。所以,本文针对波纹柱形耐压壳的非线性屈曲、材料参数、几何参数及缺陷大小的影响规律展开讨论,详细内容如下:(1)首先,根据BSI(PD5500)(2009)标准设计了2个圆柱壳(一个普通柱形耐压壳,一个周向波纹柱形耐压壳),通过线性屈曲分析可知,波纹柱形耐压壳的失稳载荷远远大于普通柱形耐压壳的失稳载荷,这说明波纹显著的提高了圆柱壳的失稳载荷;壳体的子午曲率越高,其承载能力越高;此外,屈曲波的减小是由于波纹柱形耐压壳的极高刚度导致的;并且由2个圆柱壳的平衡路径可知,普通柱形耐压壳第一个屈服点位于平衡路径中的临界屈曲点之后,表明不完美的普通柱形耐压壳在弹性范围内发生失稳;与普通柱形耐压壳相一致,波纹柱形耐压壳的平衡曲线也表现出不稳定的特点,由于轴向应力对波纹区域的增强作用,临界屈曲模态和后屈曲模态均呈轴对称失效形式,波纹柱形耐压壳在弹塑性范围内发生了失稳,同时证明非线性计算大大提高了计算精度。随着缺陷尺寸的增加,波纹柱形耐压壳的非线性屈曲荷载有略微减小,表明波纹柱形耐压壳对初始几何缺陷的敏感性比普通柱形耐压壳要小的多。(2)然后,分析了三种波纹:正弦波、三角波和半圆波对柱壳屈曲的影响,得出正弦形周向波纹柱形耐压壳具有最佳的承载能力;三种波纹柱形耐压壳的线弹性屈曲载荷值均随着模态阶数的增加而变大,并且三角形周向波纹柱形耐压壳的线性屈曲载荷值最小、正弦形的最大;并且根据非线性屈曲分析,其屈曲值不随缺陷的增大而改变,说明不论哪一种波纹形式的耐压壳都对缺陷不敏感;进一步发现,每个耐压壳在临界屈曲点处的最大应力大于材料屈服应力(313.7 MPa),这表明三种波纹壳体全部在弹塑性范围内屈曲;同样的,截面呈三角形的波纹柱壳临界值最小,截面呈正弦形的波纹柱壳临界值最大,所以对正弦形波纹柱壳展开研究。(3)随着正弦波纹幅值逐渐增大,周向正弦波纹柱形耐压壳的非线性屈曲荷载先增大然后减小,其屈曲值随自身缺陷的增大改变较小,当波纹幅值s=2.5 mm时,正弦波纹柱形耐压壳具有最佳的屈曲压力;研究普通柱形耐压壳和等效波纹柱形耐压壳(等质量、等体积)的屈曲特性,发现三个柱壳失稳位置都是在柱壳的中间位置,并且其后屈曲模式最终都呈现典型的凹坑形式;等质量正弦波纹柱形耐压壳的非线性屈曲载荷值是普通柱壳的4倍以上,等体积正弦波纹柱形耐压壳的非线性屈曲载荷值是普通柱壳的5倍以上,这充分说明了正弦波纹柱形耐压壳承载能力的优越性;通过对波纹柱形耐压壳的几何参数与材料参数的研究发现,随着直径与壁厚比的增大,波纹柱形耐压壳的承载能力呈下降趋势,泊松比对周向正弦波纹柱形耐压壳载荷值几乎没有影响;此外,临界值随杨氏模量呈线性变大,随屈服强度的增加而线性减小。(4)最后,采用快速成型技术加工而成的波纹柱形耐压壳试样,通过三维光学扫描仪的轮廓检测与超声波测厚仪的无损检测发现,波纹柱形耐压壳的完成度比较高,与理想模型之间具有很高的一致性。试验显示,随正弦波纹幅值变大,周向正弦波纹柱形耐压壳的屈曲载荷值先变大再变小,这与波纹柱壳结构和材料的屈服强度有关,并且任何一个波纹柱形耐压壳的抗屈曲性能都比普通柱壳(波纹幅值s=0mm)的好;真实波纹柱形耐压壳的数值计算表明,波纹柱壳的破坏位置与试验结果基本一致;通过对理想波纹柱形耐压壳的强度分析发现,当波纹幅值s=0mm、2.5mm时,波纹柱形耐压壳发生正常的屈曲破坏;当波纹幅值s=5mm、10mm、15mm时波纹柱形耐压壳已经发生了强度破坏。